Firma BioCam Sp. z o.o. zajmuje się rozwojem systemu endoskopii kapsułkowej, który umożliwia bezinwazyjne, obrazowe badanie układu pokarmowego w domu pacjenta. Rozwiązanie składa się z dwóch urządzeń radiowych – kapsułki endoskopowej i odbiornika. Niewielka kapsułka, po połknięciu przez pacjenta, wykonuje zdjęcia układu pokarmowego w tempie 2 obrazów/sekundę i przesyła je w czasie rzeczywistym do odbiornika zamontowanego na ciele pacjenta. Podczas prac nad tymi urządzeniami dużym ułatwieniem dla BioCam jest dostęp do narzędzi marki Ansys, które uzyskano dzięki Ansys Startup Program. Firma używa tego oprogramowania do przeprowadzania symulacji związanych z optymalizacją anten, a także do testowania i debugowania obwodów drukowanych.

Spis treści
Założenia projektowe
Dużym wyzwaniem jest dla BioCam zaprojektowanie właściwych anten do nadajnika umieszczonego wewnątrz kapsułki, jak również do odbiornika noszonego przez pacjenta. Nietypowe zastosowanie systemu wyklucza wykorzystanie urządzeń dostępnych na rynku. Projektowane anteny muszą spełniać następujące założenia:
- niewielkie wymiary – antena nadawcza musi się zmieścić w kapsułce, z kolei zbyt duży rozmiar anteny odbiorczej może nie być komfortowy dla użytkownika,
- odporność na zmiany otoczenia – każdy obiekt znajdujący się w bezpośrednim pobliżu anteny ma na nią wpływ – w opisywanym przypadku anteny towarzyszą cały czas człowiekowi: antena odbiorcza może się przesunąć względem ciała lub zostać przysłonięta ręką, natomiast kapsułka nie jest cały czas zawieszona w treści jelita – podróżując przez ciało człowieka trafia na bąble gazu oraz wchodzi w kontakt z jelitem w czasie ruchów perystaltycznych (takie zmiany w otoczeniu najczęściej oznaczają zmianę pasożytniczych pojemności i odstrojenie się anten),
- jak najlepszy uzysk – chodzi tutaj o zaoszczędzenie jak największej ilości energii na transferze danych,
- odpowiednia kierunkowość – zbyt kierunkowe anteny mogą powodować nagłe zaniki i skoki sygnału, z kolei anteny o zbyt dookólnej charakterystyce mogą zbierać zakłócenia,
- antena powinna być magnetyczna – ciało nie jest dobrym medium dla fali elektromagnetycznej – składa się z warstw tkanek o różnej przenikalności elektrycznej, ale ma dość stałą przenikalność magnetyczną, dlatego gdy anteny są na tyle blisko, by oddziaływać na siebie w bliskim polu elektromagnetycznym, przewagę ma antena magnetyczna (nawet mimo gorszej kierunkowości i uzysku).
Metody symulacji komputerowej
Biorąc pod uwagę wszystkie wyżej wymienione aspekty i wymagania, zastosowanie mają w BioCam metody symulacji komputerowej pozwalające na szybkie i wygodne przetestowanie oraz zoptymalizowanie projektów anten. Firma wykorzystała moduł Optimetrics, by dobrać jak najlepsze anteny. Ze względu na potrzebę przeprowadzenia obliczeń na bardzo dużej liczbie wariantów modeli, zastosowano też wbudowany w Ansys EDT moduł RSM, w celu uruchomienia symulacji na serwerze chmurowym. Geometrie wszystkich anten są projektowane w narzędziu 3D Modeler zintegrowanym z programem Ansys EDT – jest to najwygodniejsze rozwiązanie, ponieważ pozwala na całkowite sparametryzowanie modelu.
Dzięki symulacjom BioCam jest w stanie wstępnie przetestować i przeanalizować różne typy modelowanych anten. Następnie na podstawie pozyskanych danych może wybrać rozwiązania, które zostają skierowane do dalszej pracy w warunkach laboratoryjnych, już na rzeczywistych prototypach.
Idealna sytuacja to taka, w której do samego końca można działać w oparciu o symulację – w tym celu potrzebne byłoby wierne odwzorowanie środowiska pracy anten. Niestety, wirtualne fantomy, które najlepiej oddają ludzką anatomię są poza finansowym zasięgiem dla startupu, natomiast fantomy modelowane manualnie mają ograniczoną dokładność odwzorowania. Dodatkowo, duży wpływ na wartość symulacji mają różnice pomiędzy pacjentami pod względem wymiarów anatomicznych czy parametrów fizycznych tkanek.
Podsumowanie
Z przedstawionych powyżej powodów, podejście przyjęte przez BioCam pozwala, dzięki symulacji, wstępnie wytypować rozwiązania antenowe do dalszej pracy i zamówić prototypy do testowania szczegółowego. Dzięki temu można sprawdzić dużo większą liczbę różnych wariantów, która nie byłaby możliwa do przetestowania na fizycznych prototypach przy posiadanych zasobach kadrowych. Oprogramowanie Ansys umożliwia firmie BioCam modelowanie i symulowanie setki podejść, a następnie kilkanaście starannie wyselekcjonowanych opcji jest testowanych i mierzonych w laboratorium.
Autor: Maciej Motyl, BioCam Sp. z o.o.
Obserwuj nas w mediach społecznościowych i bądź na bieżąco